浅谈无线通信网络中网络编码与协作分集技术

    李满平

    摘要：网络编码技术被引入无线通信中，充分利用了无线通信网络的广播特性和数据信息业务的双向特性，在中继节点把不同信源节点发送的干扰用编码关系进行信息融合，提升了无线通信网络系统的吞吐量和通信效率。无线通信传输环境有很多不确定的因素，为了保证传输的可靠性，引入了分集的概念，通过传送多个统计独立的信号以供译码。无线通信环境中，分集技术是_种有效的抗衰落方法。

    关键词：无线通信；网络编码；协作分集

    1网络编码技术概述

    网络编码技术被引入无线通信中，充分利用了无线通信网络的广播特性和数据信息业务的双向特性，在中继节点把不同信源节点发送的干扰用编码关系进行信息融合，提升了无线通信网络系统的吞吐量和通信效率。无线通信传输环境有很多不确定的因素，为了保证传输的可靠性，引入了分集的概念，通过传送多个统计独立的信号以供译码。网络编码融合了路由和传统编码，用一定代价的编解码冗余度来获取更大的通信网络传输容量。现在网络编码在无线通信网络中的应用主要有：

    1.1网络编码在无线自组织（Ad.Hoc）网络中的应用

    在无线自组织网络中，采用网络层和物理层平衡链路带宽供需的跨层优化策略，利用网络编码技术来优化路由算法，可以提升了无线自组织网络的多播吞吐量。引入网络编码技术，增加了通信网络的复杂性和成本。

    1.2网络编码在无线传感网络中的应用

    传感器网络是以数据为中心的，在通信节点能收到多个信号，这样也利用采用网络编码技术。通过随机网络编码技术，通信网络的中继节点独立地选择编码系数，对输入的信息比特流进行线性运算，然后将运算后的结果广播出去。

    1.3网络编码在p2p网络中的应用

    P2P网络主要有实时性的P2P流媒体播放和非实时性的P2P文件下载两种服务。在P2P文件下载中，采用网络编码技术可以使得传输信息分块随机组合，进而使得整个通信网络负载分布均衡，并且网络编码技术能够适应P2P通信系统的动态变化特性。

    2有限域物理层网络编码技术

    在无线通信网络物理层中，所有发送数据都是通过电磁波信号的形式进行传播的。无线网络具有有线网络所没有的广播特性，通信网络中一个发送节点发射出的电磁波信号通常会被多个节点接收。当然，一个接收端也可能在同一时间收到多个节点发送来的信号。信号的叠加往往会造成信号之间的相互干扰。在无线网络中，人们都认为这种干扰会带来负面影响，会严重减小无线网络系统的吞吐量。为具体说明物理层网络编码带来的通信增益，下面介绍下传统的三节点网络传输方案，以及传统的网络编码通信方案。

    2.1非网络编码传输方案

    在现实的通信系统中，通信设备一般都工作在半双工通信模式，即通信节点不同时进行信号的接收和发送。在网络编码技术提出之前，源节点A、B通过中继节点R进行信息交互。在第一个时隙源节点A发送已调信号至中继节点R。第二个时隙，基于解码转发协议，中继节点对接收到的信号进行解码和信号再生得到转发信号，并将其转发至源节点B。第三个时隙轮到源节点B发送已调信号至中继节点R。类似，中继节点进行解码和信号再生得到转发信号，并将其转发至源节点A。这样，源节点A、B实现一次信息交互，需要四个时隙。

    2.2传统网络编码传输方案

    引入网络编码技术，源节点A、B需要交互源信息和。在第一个时隙，源节点A将已调信号发送至中继R，中继节点解调译码得到源节点A的源信息。在第二时隙，源节点B将已调信号发送至中继，中继节点解调译码得到源节点B的源信息。第三时隙，中继节点进行网络编码得到新的编码信息，然后编码调制得到新的信号，最后将其广播出去。由以上分析可知，有限域物理层网络编码传输方式用2个时隙就实现了源节点A、B之间信息的交互，提升了很大的系统吞吐量。

    3协作分集技术

    无线通信具有空间的开放性，所以无线通信链路常伴有衰落，比如瑞丽衰落，阴影衰落。这些衰落对通信质量有较大的影响，也造成系统功率的损失。为了对抗衰落，在无线通信中引入了分集合并技术。所谓分集，就是在统计独立的衰落信道上传输相同的数据，所有独立路径同时陷入深衰落的可能性比较小，在接收端通过合并达到抵抗衰落的目的。分集技术主要利用信号的时域分量、频域分量以及空域分量来实现。在无线通信系统中，最常用的分集技术是时间分集、频率分集、空间分集和协作分集。

    3.1时间分集

    当信号发送的时间间隔大于相干时间传输同一信号N次，则多次发送的信号的衰落性能彼此独立，在接收端就可以得到N个独立的分集信号。

    3.2空间分集

    不同发送信号具有空间独立性，使用多个天线，当相邻天线的间隔距离时（表示工作波长），各工种天线的信号衰落特性是相互独立的。

    3.3频率分集

    频率分集是利用多个载波频率发送独立的信号。为了减少多个频率的相互干扰，保证各分集频率在频域上相互独立，各个载频之间必须设置频率间隔，该间隔要大于或者等于信道的相干带宽。

    3.4协作分集

    MIMO技术要求移动终端具有多个天线装置，且天线要处于独立衰落信道中。但在现实中，多数的小型设备没有安装多个天线，有时候传播环境也不支持MIMO，这样往往没办法实现满秩分集。

    协作分集中，网络中的通信节点能够为信息分布式传输和处理进行协作，扮演中继节点的角色。协作分集网络中，通信节点执行设计的信号处理算法，多终端能处理从其他节点侦听到的传输信号，且通过彼此的中继信息进行相互协作。在目的节点对中继信息进行组合就能产生空间分集。在接收端，必须采取相应的合并技术合并接收到的多个统计独立信号。合并方式多数采用线性合并，对不同衰落信号进行加权和。现在比较常用的合并方式有，选择合并技术、等增益合并技术以及最大比合并技术。

    4结语

    网络编码中从信息比特处理的层面分析，网络编码融合了路由和传统编码，用一定代价的编解码冗余度来获取更大通信网络的传输容量。然后在分集技术中，介绍了比较常见的分集技术。分集技术能提供多个统计独立信号副本，这样可以避免所有独立路径都同时陷入深衰落中。由此可得，分集技术对抵抗多径衰落具有良好的作用，增加了无线通信系统的传输可靠性。